內(nèi)燃機(jī)曲軸鍛件模具設(shè)計(jì)與數(shù)控加工?

楊 根 林 何魏忠軒

（1.西安工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心 西安 710048）（2.西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 西安 710048）

（3.西安北方光電科技防務(wù)有限公司 西安 710043）

1 引言

曲軸作為內(nèi)燃機(jī)的重要組成零件之一，廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)、汽車、船舶等行業(yè)，需求量較大。曲軸在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部主要起到傳遞扭矩的作用，工作環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期處在高壓、慣性力、交變載荷沖擊的工況下，主要的失效形式是連桿頸磨損、過(guò)渡處圓角裂紋以及整體的斷裂和彎曲，其性能的好壞直接影響內(nèi)燃機(jī)的正常運(yùn)行［1～2］。因此曲軸要求應(yīng)具有良好的機(jī)械性能和加工精度。

目前，曲軸鍛造成形工藝的發(fā)展方向是突出精密凈成形，鍛造成形過(guò)程向著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展?？紤]曲軸僅主軸頸、連桿頸及臺(tái)階軸需要機(jī)械加工外，其他表面加工較少，鍛造表面占到90%以上?？刹捎镁苠懺旃に嚿a(chǎn)優(yōu)質(zhì)、形狀復(fù)雜、高精度的曲軸鍛件。此外，曲軸需要采用大批量機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)方式，這就要求曲軸鍛件應(yīng)具有較高的重復(fù)精度，以滿足機(jī)械加工工藝的要求。UG軟件在鍛件模具制造方面應(yīng)用包括三方面：1）鍛件三維模型設(shè)計(jì)；2）鍛件模具的三維造型設(shè)計(jì)；3）模具的數(shù)控加工。

考慮該曲軸鍛件以上情況，該鍛件采用無(wú)余量精密鍛造工藝進(jìn)行加工［1～2］，模具采用一模一腔的結(jié)構(gòu)形式，從而獲得金屬流線連續(xù)且分布合理的鍛件，保證曲軸具有較長(zhǎng)的使用壽命、較高表面質(zhì)量、提高材料利用率。通過(guò)UG軟件完成曲軸三維模型設(shè)計(jì)、曲軸模具設(shè)計(jì)以及數(shù)控加工程序編制。借助企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備，加工出滿足企業(yè)要求的模具，降低模具成本，提高模具的使用壽命，保證產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)效率［3～5］。

2 曲軸鍛件三維造型及工藝分析

在UG NX10.0軟件建模環(huán)境中，通過(guò)采用草圖、拉伸、鏡像實(shí)體等操作完成曲軸的三維造型設(shè)計(jì)，如圖1所示。如圖2所示為曲軸的零件圖，曲軸呈軸線彎曲，細(xì)而長(zhǎng)，且具有多拐及多個(gè)平衡塊，全長(zhǎng)截面變化較大，作為傳動(dòng)扭矩的重要零件，其力學(xué)性能要求高［6～7］。曲軸材料選用 49MnVS3，材質(zhì)系數(shù)為M1，鍛件質(zhì)量為19.5kg，外形尺寸為538mm×140mm×118.1 mm。該曲軸屬于水平分模的四拐曲軸，帶8個(gè)平衡塊，是形狀較復(fù)雜的中小型曲軸，如表1所示為曲軸鍛件的基本參數(shù)。

分模面位置直接關(guān)系到模具制造、鍛件成形、出模及材料利用率等問(wèn)題，水平分模曲軸，位置容易確定，空間分模曲軸相對(duì)就有一定難度。根據(jù)該曲軸結(jié)構(gòu)形狀和工藝要求，確定為水平分模，如圖1所示。

圖1 曲軸三維造型及分模面

為了便于鍛件出模，模具需設(shè)置一定的模鍛斜度，模鍛斜度較小時(shí)，鍛件不易取出；模鍛角度較大時(shí)，增加金屬的消耗和機(jī)械加工余量。因此，在保證鍛件能順利取出的前提下，模鍛斜度應(yīng)盡可能的取最小值。如圖1所示鍛件的尺寸圖，可知H/B=140/118.1=1.18、L/B=583/118.1=3.22，根據(jù)表2可知該鍛件模鍛斜度取5°較合理。

圖2 曲軸鍛件圖

表1 曲軸鍛件基本參數(shù)

表2 模鍛斜度表

鍛件的復(fù)雜系數(shù)是鍛件的體積與鍛件外包容體的體積之比

式中Gf為鍛件質(zhì)量或體積；Vf為鍛件外包容體的質(zhì)量或體積。將表1中數(shù)據(jù)代入式（1），得到復(fù)雜系數(shù)C為0.28，根據(jù)復(fù)雜系數(shù)0.16＜C≤0.32屬于較復(fù)雜鍛件。此外，該零件最大寬度為140.0mm，最小寬度為24.0 mm，兩者相差近5倍，突變曲面之間將阻礙金屬的流動(dòng)，容易產(chǎn)生折疊、充不滿等缺陷。

3 曲軸鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Mold Wizard是UG NX系列軟件中專門用于模具自動(dòng)化設(shè)計(jì)的模塊，利用該模塊可以更容易、更快捷地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。借助Mold Wizard模塊進(jìn)行曲軸終鍛模具的設(shè)計(jì)，其具體過(guò)程如下。

1）模具項(xiàng)目初始化，包括裝載曲軸模型、設(shè)置收縮率、單位設(shè)置以及材料設(shè)置等；

2）設(shè)置模具裝配坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和更改方向，保證ZC軸的正方向?yàn)殚_模方向，XY平面設(shè)為模具分型面；

3）設(shè)置模具收縮率，鍛件冷卻之后其尺寸一般小于相應(yīng)模具尺寸，需將鍛件收縮量補(bǔ)償?shù)侥＞叩南鄳?yīng)尺寸中，以得到符合設(shè)計(jì)要求的工件。

4）設(shè)置模具工件。鍛模模膛應(yīng)有足夠的壁厚，以保證鍛模在鍛造強(qiáng)度和剛度。模具工件設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)方體模塊，尺寸按模膛最大外形尺寸加模壁厚度確定，上下模尺寸均設(shè)置為695mm×320mm×160mm。

5）型腔布局。模膛數(shù)目及布局有一模一件、一模兩件、一模多件等多種形式，根據(jù)該曲軸尺寸以及精度要求，本模具采用一模一腔的結(jié)構(gòu)形式［8］，具有模膛布局緊湊，曲軸質(zhì)量波動(dòng)小，金屬流線形好等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 曲軸鍛件的上模

圖4 曲軸鍛件的下模

本產(chǎn)品根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性，如圖3、圖4所示分別為曲軸鍛件的上、下模的外形尺寸及布局形式，模具材料均為5CrNiMo。

4 鍛件模具的數(shù)控加工

UG NX以CAM基礎(chǔ)模塊作為連接所有加工模塊的基礎(chǔ)，可根據(jù)現(xiàn)有的模具三維模型，通過(guò)選擇相應(yīng)的模塊進(jìn)行自動(dòng)編程。根據(jù)點(diǎn)位加工編輯功能，按照用戶需求進(jìn)行靈活的修改和剪裁、定義標(biāo)準(zhǔn)化刀具庫(kù)、加工工藝參數(shù)樣板庫(kù)，使用粗加工、半精加工、精加工等操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工。

4.1 模具加工工藝分析

模具零件在具體加工過(guò)程中，選擇合適的加工工藝至關(guān)重要，其直接影響模具零件的加工精度。如圖3、4所示為模具的零件圖，外形尺寸為695mm×320mm×160mm，根據(jù)零件圖可知零件尺寸較大、加工特征面較多、加工難度較大；同時(shí)，模具材料采用5CrNiMo，具有良好的韌性、強(qiáng)度和高耐磨性，屬熱作模具鋼。加工工藝按照先粗后精、先主后次的原則，根據(jù)不同的特征面選擇合適的刀具以及加工工藝參數(shù)，如表3所示為該模具加工的具體工藝路線方案［9～10］。

表3 曲軸模具數(shù)控加工工藝流程

4.2 編程及生成刀路軌跡

根據(jù)表3模具的加工工藝方案，利用UG軟件的CAM模塊創(chuàng)建加工工序，具體詳細(xì)步驟如下［11～12］。

1）創(chuàng)建坐標(biāo)系主要?jiǎng)?chuàng)建加工坐標(biāo)系MCS和指定安全平面。保證加工坐標(biāo)系和工作坐標(biāo)系的位置和方向統(tǒng)一，將MCS設(shè)在毛坯上表面中心位置；安全平面設(shè)定在距離毛坯上表面20mm，避免刀具碰撞工件或夾具，如圖5所示。

圖5 創(chuàng)建MCS及安全平面

2）定義切削材料范圍，包括指定部件、毛坯幾何以及切削區(qū)域。

3）創(chuàng)建使用的刀具，定義相關(guān)刀具參數(shù)。該模具加工選用的銑刀包括 D18、D10R0.2、SD6、SD4等，創(chuàng)建刀具信息包括刀具類型、尺寸、材質(zhì)以及刀柄尺寸等。

4）指定工藝方案，創(chuàng)建加工工序，生成加工軌跡。工件加工工序一般需經(jīng)過(guò)粗加工→半精加工→精加工，如圖6所示為上、下模型腔粗加工刀路。

5）模擬仿真加工，所有刀路軌跡生成后，通過(guò)可視化刀軌進(jìn)行驗(yàn)證，觀察刀具切除材料過(guò)程，判斷切削結(jié)果是否正確、零件是否存在過(guò)切或者欠切現(xiàn)象，如圖7所示。

圖6 模具上、下模粗加工軌跡

圖7 下模型腔仿真加工

4.3 后置處理過(guò)程

經(jīng)NX UG10.0軟件生成的刀路軌跡包含了切削刀具位置及機(jī)床控制指令的加工刀軌文件［13］，該刀軌文件不能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床加工，需要調(diào)用專用后處理器，如圖8所示。將其轉(zhuǎn)換為特定機(jī)床控制器所能接受的NC程序，對(duì)刀路軌跡文件進(jìn)行后置處理，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為符合設(shè)備加工要求的編程代碼，最后將代碼程序?qū)雽?duì)應(yīng)的數(shù)控機(jī)床，加工出符合圖紙要求的模具。

圖8 專用后處理器及下模型腔粗加工程序

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合曲軸鍛件自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用UG NX10.0軟件的CAD建模環(huán)境完成對(duì)曲軸的三維模型設(shè)計(jì)；利用UG中的Mold Wizard模塊可以快速、準(zhǔn)確地完成曲軸鍛件模具設(shè)計(jì)；利用UG軟件的CAM模塊完成曲軸鍛件模具的數(shù)控加工，通過(guò)優(yōu)化加工路線、刀路軌跡、切削參數(shù)等工藝參數(shù)，生成加工該曲軸模具的編程代碼，經(jīng)仿真檢驗(yàn)無(wú)誤后，直接用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。加工出來(lái)的模具鍛造的曲軸零件性能滿足使用要求，為曲軸類鍛件模具設(shè)計(jì)及數(shù)控加工工藝方案提供提供一定的理論依據(jù)和參考價(jià)值，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。